藏东地区斜坡土壤冻融侵蚀力学机制及敏感性分析

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本站小编 Free考研考试/2021-12-29

黄海^,¹^,², 田尤¹^,², 刘建康¹^,², 张佳佳¹^,², 杨东旭¹^,², 杨顺¹^,²

1.中国地质科学院探矿工艺研究所,成都 611734

2.中国地质调查局地质灾害防治技术中心,成都 611734

The mechanism and sensitivity analysis of soil freeze-thaw erosion on slope in eastern Tibet

HUANG Hai^,¹^,², TIAN You¹^,², LIU Jiankang¹^,², ZHANG Jiajia¹^,², YANG Dongxu¹^,², YANG Shun¹^,²

1. Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu 611734, China

2. Technical Center for Geological Hazard Prevention and Control, CGS, Chengdu 611734, China

收稿日期:2019-11-25修回日期:2020-10-5网络出版日期:2021-01-25

基金资助:

第二次青藏高原综合科学考察研究.2019QZKK0902
中国地质调查局地质调查项目.20190505
中国地质调查局地质调查项目.20190644
中国地质调查局地质调查项目.12120113011000

Received:2019-11-25Revised:2020-10-5Online:2021-01-25

Fund supported:

The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research.2019QZKK0902
Geological Survey Project of China Geological Survey.20190505
Geological Survey Project of China Geological Survey.20190644
Geological Survey Project of China Geological Survey.12120113011000

作者简介 About authors
黄海(1984-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要从事泥石流灾害防治与评价研究。E-mail: 52134170@qq.com

摘要
冻融侵蚀是青藏高原草甸覆盖区的主要侵蚀方式,以气候条件一致的藏东地区斜坡表层土壤侵蚀为对象,基于区域地质条件和土体赋存特征,分析了土壤剥蚀输移的力学过程,探索了缓变的隐性因子和灾变的显性因子对冻融侵蚀的作用机制。结果表明：① 地表冻融侵蚀是自基岩风化和土壤演化起始,经历冻融拉裂破坏与沙土输移,到重新裸露基岩的一个循环演化过程;② 冻融侵蚀输移驱动力为受全因素控制的重力和径流动水压力,抗侵蚀力则由土壤二元结构特征和植被根系锚固力控制,多因素耦合作用下,冻融侵蚀演化具有“多因素,同表观”的特征;③ 基于土体极限平衡状态的破坏机制,冻融侵蚀分为牵引式的逐级崩解型和牵引—推移复合式的多级崩解型,两者在侵蚀强度和触发因素上均存在显著区别;④ 引入冻融侵蚀强度特征参数并建立其与构造、地形、植被、岩性等因子之间的关系式,提出基于小流域土壤侵蚀观测的冻融侵蚀强度估算公式。基于力学过程和土体破裂机制建立的侵蚀强度多因素估算方法,可有效减小区域适宜性产生的误差,并且为制定精细化的不同工况下的冻融侵蚀防治对策提供理论基础。
关键词： 青藏高原;冻融侵蚀;受力过程;循环演化;敏感性;侵蚀强度

Abstract

Freeze-thaw erosion is the main erosion in the Qinghai-Tibet Plateau. In this study, both the failure process and the transport process of the soil on a slope are analyzed under a similar climatic condition in eastern Tibet. It reveals that the sensitivity factors should be divided into the latent factor and the dominant factor. The latent factors change gradually over time, which include the geological structures, the lithology, and the slope direction. The dominant factors with catastrophe include the climate, the sloping topography, and the vegetation cover. The driving forces of freeze-thaw erosion are the gravity force and hydrodynamic force, while the erosion resistance is controlled by the dual structure of soil and the anchoring force of vegetable roots. On a temporal scale, the freeze-thaw erosion is a cyclic evolution process. It begins with the weathering of bedrock and soil formation, goes through the freezing-thawing and the tensile failure process, and ends with the re-exposure of bedrock after the soil is transported. Generally, this cycle should last a long term, but it could only last several years or decades of the period due to the structure of the soil. Based on the failure mechanism of the limit equilibrium state of the soil, freeze-thaw erosion can be divided into trailed progressive disintegration and multi-level disintegration type, both of which have the characteristics of 'multi-pathogenesis and same symptoms'. The characteristic parameter of freeze-thaw erosion intensity is introduced to describe how those influence factors affect the mechanism of freeze-thaw erosion. The formula is established by the relationship between the intensity value and the factors including both latent factors and dominant factors. It can be used to forecast calculate the amount of soil erosion when there is a standard-value in the study. Although there are still a few discretization errors in the formula building because of the randomness of sensitivity factors, the fitting results can still explain more than 90% of the evolution trend. Moreover, a new model of freeze-thaw erosion intensity based on soil erosion observation is proposed. Therefore, different from previous research, in this paper, the new model of erosion intensity can effectively reduce the errors caused by regional suitability and provide a theoretical basis for formulating countermeasures under different conditions.

Keywords：Qinghai-Tibet Plateau;freeze-thaw erosion;mechanical process;cyclic evolution;sensitivity;erosion intensity

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黄海, 田尤, 刘建康, 张佳佳, 杨东旭, 杨顺. 藏东地区斜坡土壤冻融侵蚀力学机制及敏感性分析. 地理学报[J], 2021, 76(1): 87-100 doi:10.11821/dlxb202101007
HUANG Hai, TIAN You, LIU Jiankang, ZHANG Jiajia, YANG Dongxu, YANG Shun. The mechanism and sensitivity analysis of soil freeze-thaw erosion on slope in eastern Tibet. Acta Geographica Sinice[J], 2021, 76(1): 87-100 doi:10.11821/dlxb202101007

1 引言

冻融侵蚀是高寒地区岩土体中的水分赋存状态随温度变化而变化,从而影响岩土体的微观结构及力学参数,进而导致岩土体的机械破坏并在重力、径流等外营力作用下被搬运、迁移、堆积的整个过程^[1],其作为中国土壤侵蚀的重要类型之一,主要分布于高寒的青藏高原地区和高纬度的东北地区,其中青藏高原冻融侵蚀面积占全国的86.36%^[2]。高寒山区斜坡土壤的冻融侵蚀过程包括冻胀变形、融沉破裂、重力或流水搬运、坡脚堆积等^[3],在造成生态环境破坏和土壤剥蚀退化的同时,泥沙沿沟道汇集还为泥石流发育提供物源条件,在特殊地质条件下也可能诱发冻融滑坡灾害。触发冻融侵蚀的驱动力分为径流作用和重力作用两大类^[4]。根据不同工况下的驱动力组合方式,斜坡土壤侵蚀可分为冻融剥蚀、融冰雪径流侵蚀、冻融泥流、冻融垮塌^[5],后三者均可视为冻融剥蚀的不同条件下的演化结果。前人在岩土体对冻融作用响应方面开展了大量研究工作,张建国等^[6,7,8]、Xie等^[9]、范建蓉等^{[10,11,12,13,14,15,16]}通过多源遥感解译和地面调查,查明了青藏高原及相邻地区的冻融侵蚀的类型、强度、时空分布特征及演化趋势,王飞等^[17]和李智广等^[18]分析了高纬度地区的冻融侵蚀特征及影响因素,Ma等^[19]、王莉雁等^[20]和董瑞琨等^[21,22,23]揭示了冻融循环次数、温度、含水量等因子与冻融侵蚀强度之间的规律,Barnes等^[24]、Rui等^[25]及Sadeghi等^[26]通过现场观测和实验揭示了冻融循环工况下的植被、土壤结构等下垫面条件对斜坡重力侵蚀、沟壑发育等的影响机制,张熙胤等^[27]、张莲海等^[28]、Daniel等^[29]和Xie等^{[30,31,32,33]}通过室内试验和现场原位试验揭示了土壤冻融条件下的工程地质特性演变规律,建立了不同适宜条件下的岩土体破裂模型,为寒冻区的工程建设解决了重大地质需求。冻融侵蚀作为一种包含岩土体机械破坏、动力输移搬运以及地表塑造等不同尺度过程的复合现象,以往的研究较少涉及全过程耦合分析,侵蚀强度影响因子提取多出自定性分析,导致对土壤冻融侵蚀的机制认识还存在一定不足。

国内外****已经意识到通用土壤侵蚀分析模型具有明显的区域适宜性并针对不同侵蚀分区提出了优化方法,如地理探测器方法^{[34,35,36,37]}。尽管新方法试图通过多因素定量归因来揭示不同因子的影响权重的动态变化,但其依然没有改变以侵蚀现象定性推导影响因子的基本框架,对预测侵蚀的发展趋势还存在一定误差。总体上,学界对于土壤冻融侵蚀破坏的力学机制方面涉及较少,敏感性因子分析中甚少考虑构造、岩性、产流条件等下垫面背景,侵蚀强度分异性机制依然存在诸多不明之处。

藏东地区是新构造强烈活动区^[38],属于典型高原大陆型气候,小区域内的气候差异较小。随着川藏铁路等重大工程的开工建设,人类活动对高原腹地地表的扰动势必进一步增强,全球气候变暖和人类活动双重驱动下的青藏高原生态环境将面临更严峻的形势。现有的广域上的冻融侵蚀研究成果难以应对人类活动干扰下的土壤侵蚀防治,宏观层面的水土保持方案的落地将存在适宜性问题。因此本文从斜坡土壤的冻融侵蚀破坏力学机制入手,分析不同敏感因素对冻融侵蚀过程的作用机制,梳理冻融侵蚀演化过程和触发因素,探索基于力学过程和演化规律的侵蚀强度估算方法,为预测不同扰动工况下的土壤侵蚀发展趋势和建立精细化冻融侵蚀监测防治体系提供依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 藏东地区概况

藏东地区属于金沙江缝合带与班公湖—怒江缝合带之间的羌塘地块,地震和新构造活动强烈^[39],出露的岩性主要有砂岩、砾岩、灰岩和岩浆岩等,其中灰岩在中部呈条带状分布,以花岗岩、闪长岩为主的岩浆岩在东北部的极高山分水岭串珠状分布,此外第四系覆盖层在宽缓河谷区以多成因堆积台地和谷地型式块状分布。区内平均海拔4000 m以上,地貌类型多样,东西两侧的则曲流域和拉松曲流域均为深切河谷地貌,中部的马曲流域为高原面盆地地貌,基岩裸露区坡度50°~70°,覆盖层分布区坡度10°~25°,微地貌形态与构造密切相关,断层出露与褶皱核部坡度相对较缓（图1）。

图1

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图1研究区地质背景

Fig. 1The sketch map of eastern Tibet

研究区主要分布浅层季节性冻土^[40],植被以稀树灌丛、高山草甸为主,乔木主要为杨树。根据李智广等建立的冻融侵蚀区海拔下限计算方法^[18],藏东以冻融侵蚀为主的区域海拔下限为4500 m,据实际调查,冻融侵蚀与季节性冻土同步发育,即区内海拔3000 m以上区域广泛分布冻融侵蚀作用。

2.2 藏东地区土层多元结构

贡觉盆地属于高原夷平面地貌区,为崩滑灾害中等易发区。斜坡土体以残积土和多期次溜滑堆积的坡积土为主,垂直尺度上有显著的地带性分布特征,在漫长的岩石风化和表生过程作用下,形成底部为下覆基岩、中部为碎块石土和粘土夹碎石、表层为腐殖土的多元结构（图2）。斜坡土壤的多元结构可以非连续存在,在高海拔的山脊可能为腐殖土和基岩的一元结构,而凹槽地形区或构造核心区的斜坡可能为完整的三元结构。土层的结构和厚度受海拔、构造及斜坡演化的控制,总体上,海拔低、构造活跃的坡脚位置土层厚度大,表土层较厚（表1）。

图2

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图2藏东地区土体多元结构剖面

Fig. 2The multi-layer structure of the soil in eastern Tibet

Tab. 1
表1
表1藏东典型地区土壤结构调查
Tab. 1The investigation of the soil structure in eastern Tibet

序号	位置	海拔(m)	地貌区	土壤结构	表土厚度(mm)	碎块石土厚度(mm)	下覆基岩岩性
1	贡觉永果村	3850	贡觉盆地	多元结构	131	521	砾岩
2	贡觉油扎村	4000	贡觉盆地东缘	二元结构	56	84	砂岩、泥岩
3	贡觉米来村	3775	贡觉盆地	单一结构	83	-	砂岩、泥岩
4	贡觉多散丘	4200	盆缘分水岭	二元结构	78	176	砂岩、泥岩
5	贡觉郭拖卓巴	4085	盆地东侧深切河谷	多元结构	115	319	灰岩
6	贡觉察雅公路	4300	盆缘分水岭	多元结构	73	394	砂岩、泥岩
7	察雅查姆村	4100	盆地西侧深切河谷	二元结构	51	110	砂岩
8	察雅香堆镇	3670	盆地西侧深切河谷	多元结构	101	273	砂岩、泥岩

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不同类型土壤的理化性质各异,腐殖土以黏土为主,具有渗透性小、保水性高的特点,适宜植被生长,藏东地区相对稳定的腐殖土一般覆盖有草甸或灌丛;粘土夹碎石主要为母质土,土壤保水性一般,部分灌丛根系能穿入该层土壤,对冻胀作用具有一定响应并出现颗粒垂直分选,如季节冻土区的石环、石多边形等现象^[41];碎石土夹块石具有架空结构,渗透性大而保水性差,对冻胀作用不敏感,基本无冻胀变形。土壤的多元结构导致渗透系数自上而下逐层递增^[42],并在不同土层之间形成连续的物性分界面。与滑坡等大规模土体失稳相比,多元结构的浅层季节性冻土难以通过隔水层形成贯通破裂面,而是在外动力作用下沿着物性分界面产生剪切破坏。

2.3 冻融侵蚀力学过程

经历冻融循环作用后,腐殖质土层裂解为块状土体,以土块为单元产生破坏和输移。地表腐殖质表层土剥蚀搬运后,土体演化为保水性差的碎块石土,其冻胀融沉形变小,冻融作用对土壤影响较小,土壤侵蚀由以冻融侵蚀为主转化为以重力侵蚀和水力侵蚀为主。受控于土壤多元结构与植被的互馈作用,当植被为林木或灌丛时,其根系可能穿透季节冻融层,形成的锚固力将有效抑制冻融侵蚀的发育,因此藏东地区以冻融侵蚀为主的斜坡,裸露的表层土的冻融侵蚀强度低,而高山草甸覆盖率高的冻融侵蚀强度反而高,与水力侵蚀趋势相反。冻融作用裂解的土块在自然状态下主要受到自身的重力、土层间的摩擦力、上部物质的推力和下部土体的阻力,当破裂面存在连续渗流通道时,上下游动水压力差作用下还可能产生浮托力（图3）。根据力学性质分析,这些力可总结为下滑力、阻滑力和浮托力。土体的受力与土层结构、破裂方式以及地形条件密切相关,受力模式受自然工况的影响。

图3

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图3土壤冻融破坏受力模型

Fig. 3The mechanical model of freeze-thaw erosion of the soil on slope

当下滑力与阻滑力相等时,剩余下滑力为零,土块处于极限平衡状态,极限平衡方程为：

（1）

\overset{?}{F} = F_{h} - F_{z} = 0

式中：

\overset{?}{F}

为土体的剩余下滑力（N）;

F_{h}

为土体所受下滑力合力（N）;

F_{z}

为土体所受阻滑力合力（N）,具体计算见表2。

Tab. 2
表2
表2块状土体受力及计算公式
Tab. 2The force analysis of the soil freeze-thaw erosion

受力类型	序号	受力名称	计算公式	参数意义	主要影响因素
$下滑力 F_{h}$	1	$重力分量 F_{w}$	$F_{w} = W \times \sin α$	$W 为土体重力; α 为坡度$	土体厚度、地形坡度
	2	$上部土体压力 f_{2}$	$f_{2} = {F_{h}}^{s} - {F_{z}}^{s}$	$\begin{array}{l} {F_{h}}^{s} 为上部土体的下滑力; \\ {F_{z}}^{s} 为上部土体的阻滑力; \\ 当土体稳定时, 压力为 0 \end{array}$	多因素控制
	3	$径流冲压力 P$	$P = h \times ρ \times v^{2}$	$\begin{array}{l} h 为径流深; ρ 为流体容重; \\ v 为流体速度 \end{array}$	汇流面积、气候、坡度
$阻滑力 F_{z}$	1	$层面摩擦力 F$	F=C+(F_W/L-F_f)×tanφ	$\begin{array}{l} c 为土体层间粘聚力; \\ L 为土块剖面长度; \\ φ 为土体层间内摩擦角 \end{array}$	岩性、土体结构及厚度
	2	$根系锚固力 f_{1}$	$f_{1} = 2 π μrl \times N$	$\begin{array}{l} r 为根系平均直径; \\ l 为根系进入下层土体长度; \\ μ 为根 — 土摩擦系数; \\ N 为土体对根系的平均压力 \end{array}$	植被种类
	3	$下部土体顶托力 f_{3}$	$f_{3} = {F_{z}}^{X} - {F_{h}}^{X}$	$\begin{array}{l} {F_{h}}^{X} 为下部土体的下滑力; \\ {F_{z}}^{X} 为下部土体的阻滑力; \\ 当下部土体失稳时, 顶托力为 0 \end{array}$	多因素控制
浮托力	1	$\begin{array}{l} 土块上下游动水压 \\ 力差产生浮托力 F_{f} \end{array}$	$F_{f} = \frac{1}{2} \times K \times Δ H \times γ_{w}$	$\begin{array}{l} K 为折减系数; \\ Δ H 为土块上下游水位差; \\ γ_{w} 为水的重度 \end{array}$	径流深度

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当土体所受合力随着自然条件的变化而动态变化时,土体的稳定性随之变化,剩余下滑力为正,土体失稳,反之,土体保持稳定。对于特定的某土块,在一定时间尺度内,重力、植被锚固力^[43]和摩擦力是随着土体物性变化而动态变化的固有受力,土块相互作用力、径流冲压力为外界条件决定其存续的动态受力,其平衡状态的破坏主要由径流作用和土层分界面物理参数（粘聚力和内摩擦角）的变化引起。根据极限平衡状态破坏准则,自然条件与受力状态之间的关系具有隐性和显性两种。构造、岩性、海拔、坡向等通过土壤演化过程控制物理特征与赋存状态,为缓变的隐性因子;气候、植被和地形直接影响土壤所受的外营力,为灾变的显性因子,前两者为时间尺度上的灾变因子,后者则为空间尺度上的灾变因子。

2.4 数据获取及处理

研究区域地形相对起伏较小,气候条件空间差异不大,近似考虑为气象条件一致。针对不同岩性、植被、构造、地形等参数,以10 m×10 m的样方尺度,选取不同区域的冻融侵蚀进行野外调查（图4）。每个调查点选取3处不同植被和坡度的调查样方,查明其表层土壤厚度、单位面积剥蚀率、岩性、构造（调查点与断层或褶皱核部垂直距离）、植被（灌丛植被覆盖率）及地形（海拔、坡向、坡度、汇流面积）等参数,并针对参数的物理意义及数据特点进行数学转换处理（表3）。

图4

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图4藏东地区冻融侵蚀调查及其差异性特征

Fig. 4The distribution of erosion investigation sample sites in eastern Tibet

Tab. 3
表3
表3特征数据的数学处理
Tab. 3The mathematical analysis of characteristic parameters

序号	参数	因子表征及符号	物理意义	数学处理目标	数学变换函数
1	构造	调查点与最近的断层或褶皱核部的距离 $(D)$	距离断层或褶皱核部越近,其岩体越破碎,表生过程越强烈,地表下切速度越大	将米至千米级跨度的数据转换成相对尺度较小的数值范围,如[0, 10]。	lnD
2	海拔	$海拔高度 (L)$	海拔高度与土壤演化过程密切相关,相对海拔较低的地方,土壤演化速度更快,土壤结构更复杂	研究区海拔范围为3050~4800 m,通过函数转换,结合区内冻融侵蚀下限海拔为3000 m特征,将数据区间转换为[0, 1]	${(\frac{L}{3000})}^{\frac{3}{2}} - 1$
3	坡向	$坡向角度 (S)$	斜坡接受太阳辐射能量多寡,由高到低排序为：正南、西南/东南、东/西、北/西北、正北	将360°的坡向参数转换成[0, 1]的数值,并满足不同坡向接受太阳辐射能量的基本趋势	$si n^{2} (\frac{S}{2})$
4	岩性	$参数赋值 (K)$	岩性决定土壤矿物成分,从而影响其力学参数（c和φ）与赋存状态	定量赋值相对给出岩性对土壤特性的影响	灰岩K=2; 砂泥岩K=1
5	坡度	$\begin{array}{l} 调查样方的 \\ 斜坡坡度 (α) \end{array}$	坡度影响力学平衡方程中重力分量和压力分量,并间接影响土壤赋存状态,坡度越大土体越不稳定	坡度参数无量纲处理,满足坡度趋于0°时土体稳定度最大,坡度趋于90°时土体趋于无限不稳定	tanα
6	汇流	$\begin{array}{l} 调查样方上游段 \\ 汇流区域面积 (A) \end{array}$	汇流面积控制土壤上部径流形成,径流越大,水力侵蚀驱动力越大,土侵蚀强度越大,同时,壤土壤侵蚀临界值越低	将从平方米至万平方米跨度转换成相对尺度更小的数值范围,如[0, 10]	lnA
7	植被	$\begin{array}{l} 样方灌从 \\ 覆盖度 (G) \end{array}$	草甸根系局限于表层剥蚀土层,且根系密度与土壤冻融裂解成块的尺寸成正比,灌从根系穿透多层土体,将剥蚀层锚固在下部土壤上,提高土壤抗侵蚀能力	可不做转换	G

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3 结果分析

3.1 侵蚀模式与受力模型的关系

斜坡土体裂解后,相邻土块的稳定状态的差异决定块状土体之间的相互作用方式,导致侵蚀过程的多样性。根据冻融侵蚀过程中的物质输移方式,冻融侵蚀可以概化为为逐级崩解和多级崩解两种模式。上部土体较下部土体欠稳定时,临界条件的变化推动下部土体输移,可能出现多级崩解;反之,则上部土体需在演化出新的临空面条件后才开始活动,将出现逐级崩解（图5）。自然工况直接影响地表土体所受到的以太阳辐射、重力、水动力等为主的外营力,进而决定土体变形与破裂机制。根据受力类型,冻融侵蚀的工况主要分为径流工况和非径流工况。前者主要是在一定强度降雨、融雪或者复合作用下形成地表径流,在对土体的加持冲压力的同时,还将减小分层土壤界面的参数、增大土壤自身重量、通过浮托力减小土壤垂直破裂面的压力;而后者的侵蚀机制主要是牵引式的逐级向上溯源侵蚀。径流工况下的侵蚀从斜坡中部径流形成区延伸至坡脚临空面形成牵引—推移复合式的片状侵蚀,其侵蚀速度和强度均较非径流工况时激增。

图5

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图5不同冻融剥蚀模式下的受力模型

Fig. 5The mechanical model under different freeze-thaw erosion types

在坡度陡缓交替变化和植被地带变化双重固有因素影响下,藏东地区的斜坡冻融侵蚀的输移类型多样、过程复杂。据野外调查,在一定空间尺度上,斜坡冻融侵蚀多呈现多级崩解与逐级崩解交替出现的现象,其运动模式在牵引式与推移式之间动态演化。

3.2 冻融侵蚀演化机制

冻融侵蚀在长时间尺度上是一个循环过程,包括基岩风化成土、土壤演化成多元结构、冻融作用重塑土壤、土层拉裂变形、土体侵蚀输移、地表剥蚀后又成为裸露基岩。基岩是土壤的源泉,在冻融、风化等作用下,经历岩体破裂形成土壤母质;在植被、构造、气候等条件下演化成不同特性的土壤,其风化程度沿深度逐渐减弱,同时在地表搬运作用下,土壤还会呈现混杂堆积分层等特征;土壤应力在冻融循环作用下重新分配,裂解形成块状结构;块状土体受重力和外营力作用,沿着物性分层面产生滑动,输移至坡脚或缓坡段,完成一个冻融侵蚀的单循环过程。藏东地区的斜坡表层土壤较薄,一般不超过50 cm,表层土壤剥蚀后,下部的土壤将可能重新演化成腐殖土,在侵蚀作用下,地表重新回复至基岩裸露状态,形成一个冻融侵蚀的循环演化过程（图6）,因此,相对来说,区内的“冻融作用—土壤剥蚀”这个过程是速度较快的,一般为几年至几十年。

图6

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图6斜坡土壤冻融侵蚀的循环演化机制及主要影响因子

Fig. 6The cycle evolution mechanism and the influencing factors of soil freeze-thaw erosion

侵蚀过程的力学分析表明地表的冻融演化过程受控于地质体的构造、气候、岩性、地形、植被五大因素,这些因素直接或间接的交叉影响着冻融循环的各个部分。构造通过重建岩石圈地应力场,控制岩体的裂隙特征和亚临界裂纹扩展系数^[44],并间接影响地表剥蚀速度和地貌塑造,影响土壤的形成速度、空间分布,一般来说构造活动越强烈,土壤厚度越大,地形越缓。岩性决定了土壤的颗分特征、力学特性和土地质量等^[45],如砂岩区土壤明显较灰岩区的粘粒含量少、土壤质量相对贫瘠。地形直接影响表层土壤的势能和稳定性,间接影响斜坡不同空间位置的土壤成因和演化过程。植被和气候均为地表冻融演化过程的激发因素,前者的保水特性促进了冻融破坏,根系的发育又增强了土体自身的稳定度,后者则通过冻融循环塑造斜坡土壤的裂隙,形成地表径流为物质输移提供能量。

3.3 影响因子敏感性分析

野外调查的冻融侵蚀结果显示,不同的自然背景条件下的冻融侵蚀差异响应明显,总体上具有构造强烈活动区和低海拔区侵蚀厚度大、陡坡段侵蚀速度快、径流区侵蚀范围广、灌从覆盖区土层稳定度好等特征。前人研究多从气候、地形、水文及植被等因子进行统计分析,针对各因子之间的相互关系以及作用机制并未进行详细阐述。根据前述的力学模型,发现以构造、岩性和坡向为代表的下垫面条件因素通过影响岩石风化速度、土壤微观结构和组分、接受太阳辐射强度及局地小气候差异等^[45]影响地表腐殖质土壤的厚度和结构,它们在冻融侵蚀过程中归属于不同空间位置土壤的固有属性差异,在本研究的时间尺度上属于稳定因素,可视为影响冻融侵蚀的隐性因子;而以汇流特征、坡度和植被为代表的因子主要影响冻融侵蚀过程的驱动力和阻力,在不同工况下动态变化并以一定形式的组合方式控制冻融侵蚀的速度,可视为影响冻融侵蚀的显性因子。

3.3.1 隐性因子敏感性研究区不同岩性出露区的地表腐殖质土壤厚度差异性巨大,灰岩区腐殖土厚度100~280 mm,平均厚度203 mm,砂泥岩区腐殖土厚度40~150 mm,平均厚度92 mm。土壤厚度与断层/褶皱核部的距离效应明显,而与坡向及海拔相关性均不明显（图7）,说明在构造活跃区,构造与岩性因子权重更高,且砂泥岩对构造的响应比灰岩更敏感。通过多元回归分析,可建立不同岩性区的腐殖质土壤厚度与隐性因子的函数关系式（式（2）和式（3））,拟合残差分布如图8。

图7

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图7土壤厚度与隐性因子的敏感性

Fig. 7The correlation between soil thickness and latent factors

图8

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图8不同岩性区土壤厚度拟合残差分布

Fig. 8The fitting residual distribution of the estimation formula of soil thickness

（2）

砂泥岩区 : H = 17.1146 - 1.15096 \ln D + 0.5324 si n^{2} (\frac{S}{2}) + 0.1583 ({(\frac{L}{3000})}^{\frac{3}{2}} - 1)

（3）

灰岩区 : H = 27.4463 - 3.4515 \ln D - 5.1125 si n^{2} (\frac{S}{2}) + 24.6588 ({(\frac{L}{3000})}^{\frac{3}{2}} - 1)

式中：H为地表腐殖质土壤厚度;D为土壤厚度与断层/褶皱核部的距离;S为坡向;L为海拔。

3.3.2 显性因素敏感性土壤在冻融循环作用下以一定速度剥蚀搬运,经过一定时间后,其结果即为表观上的裸露面积比,其数值代表土体在平面投影下的侵蚀速率。斜坡岩土体破裂过程具有典型的“多因素,同表观”的特征,不同权重的因子变化均可能导致同样侵蚀强度。灌从覆盖率、坡度以及汇流特征单因子与剥蚀率之间的均呈现离散分布（图9）。通过多元回归分析,建立剥蚀率与多因素算函数（式（4））,拟合残差分布如图10所示。

图9

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图9单位面积剥蚀率与各因子相关性

Fig. 9The correlation between erosion rate and influencing factors

图10

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图10剥蚀率估算函数式拟合残差分布

Fig. 10The fitting residual distribution of erosion ate calculation

（4）

η = {(0.0449 \ln A + 0.6332 \tan α - 1.1557 G)}^{2} + 0.0991

式中：

η

为单位面积剥蚀率;A为汇流面积;G为灌丛覆盖率;α为坡度。

3.4 冻融侵蚀强度估算方法

冻融侵蚀强度的定义为单位面积的产沙量,可由侵蚀土体的厚度和单位面积剥蚀率两个表观参数描述。将单位面积剥蚀率和表层土壤厚度的乘积表征为侵蚀强度特征值,利用多元线性回归方法,建立藏东地区斜坡土壤冻融侵蚀强度特征值与岩性、构造、地形、植被等参数的相关性关系式,如式（5）,拟合残差分布如图11。

图11

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图11侵蚀强度特征值公式拟合残差分布

Fig. 11The fitting residual distribution of the calculation of the erosion intensity value

（5）

\begin{array}{l} κ = H \times η = {(0.0187 l n^{1.6641} A + 1.0611 ta n^{0.7584} α - 0.6561 G^{0.3017})}^{2} \times \\ {[0.0522 \ln D + 0.0111 si n^{2} (\frac{S}{2}) + 0.5554 ({(\frac{L}{3000})}^{\frac{3}{2}} - 1) + 0.1226 H]}^{2} + 0.2825 K - 0.4077 \end{array}

式中：

κ 为侵蚀强度特征值

,其他参数同上。式（5）的拟合值与实测值之间的偏差率分布如图12,特征值越小,偏差幅度跨越越广,如表4。但当特征值较小时,即使较大的偏差率也不会产生量级误差,其误差绝对值较小。因此其拟合效果具有较强的适应性。

图12

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图12拟合偏差率分布

Fig. 12The distribution of deviation rate of the fitting formula

Tab. 4
表4
表4偏差率统计及最大误差范围
Tab. 4Analysis of the deviation rate and calculation error

强度指数值区间	偏差率范围	最大误差计算值
$κ \geq 20$	0~0.15	23
$20 > κ \geq 10$	0~0.2	12~24
$10 > κ \geq 5$	0~0.4	7~14
$5 > κ$	0~0.98	0~10

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利用气候相对一致地区内的土壤侵蚀实测试验,获取其基准侵蚀模数,并计算试验区的侵蚀强度特征值,利用式（6）,可估算区内任意点的侵蚀模数：

（6）

Q_{i} = \frac{κ_{i}}{κ_{0}} Q_{0}

式中：

Q_{i}

为拟估算处的侵蚀模数

Q_{0}

为特定观测点的实测侵蚀模数;

κ_{i}

为拟估算位置的侵蚀特征值;

κ_{0} 为实测试验处的侵蚀特征值

。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）通过对气候条件相对一致的藏东地区调查分析,从土体破裂和输移两个层面探讨了斜坡土壤冻融侵蚀模式及其差异性的力学机制,揭示了构造、岩性及坡向等隐性因子对土体状态的区域性控制作用和气候、地形及植被等显性因子对触发条件的控制作用。

（2）本文区别于以往从表观现象出发的研究方法,基于土壤冻融侵蚀过程的力学机制提取了不同尺度的影响因子,构建了冻融侵蚀的循环演化过程,分析了各影响因子在每个演化阶段的的耦合作用关系,阐述了冻融侵蚀的 “多因素、同表观”的特点及其主控因素随自然工况变化而动态变化的规律。利用多元非线性回归分析,建立了侵蚀模数估算经验公式。

（3）尽管多因素组合作用下,冻融侵蚀的离散性非常大,但拟合结果依然可以解释90%以上的演化趋势,其他诸如降雨、气温的局地差异还需进一步进行详细研究。基于本文建立的框架,在现有侵蚀模型中增加构造、岩性、土壤特性等本底条件因子,以力学作用过程量化各参数权重,是完善精细化的冻融侵蚀预测模型的一种可行的方法。

4.2 讨论

（1）地表过程是不断演化的,冻融侵蚀亦然。当处于不同演化阶段时,土壤的受力状态各异,稳定度也千差万别,其破裂和输移的临界阈值时刻动态变化,这是前人的多尺度、多时空冻融侵蚀调查结果呈现明显差异的重要原因之一。对于高寒山区的冻融侵蚀,在查明其现状强度、类型等特征外,根据地质体条件和气候变化规律,预测地表表生过程演化趋势更为重要。

（2）气候条件是冻融侵蚀的前提条件和重要驱动力条件,本研究区内气候条件相对一致,其气温年较差为一恒值,降雨空间差异小,因此两者在影响因子分析中忽略其差异具有一定可行性。当利用本文所建立模型的方法对比分析不同气候区的冻融侵蚀时,将需要引入温度和降雨两个因素以调节气候条件导致的侵蚀强度差异。此外,青藏高原地广人稀,气象观测起步较晚且网点布设稀疏,以贡觉为例,全县仅有县城1处气象站,现有的观测数据不足以表达模型中侵蚀强度的空间差异,基于此,根据气候和地貌单元划分区域,分区进行模拟似乎更能提高冻融侵蚀预测的准确度。

（3）在高原水土保持工作防治时,需建立不同自然背景条件下的、不同工况下的、有针对性的、操作性强的防控措施。本文结合现状土壤侵蚀调查,探索冻融侵蚀与地质体条件之间的关系,揭示力学过程与表观现象的联系,可为建立准确度高的冻融侵蚀发展趋势预测模型提供基础。当然,初建的模型还存在样本代表性、测试手段及测试内容不足等问题,结论的适宜性还需要不同区域的实测数据进行验证,但本文建立的研究思路和计算方法将大大减少测定特定区域的冻融侵蚀模数的野外工作量,并可有效提高区域模型的估算精度。

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]

Zhang

Jianguo

, Liu

Shuzhen

. Spatial distribution characteristics of freeze-thaw erosion in Tibet
Research of Soil and Water Conservation, 2008,15(5):1-6.